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(Noticias de Nanowerk) ¿Cómo reaccionan los diferentes materiales al impacto de los iones? Una pregunta que juega un papel importante en muchas áreas de investigación, por ejemplo, en la investigación de fusión nuclear, cuando las paredes del reactor de fusión se bombardean con iones de alta energía, pero también en la tecnología de semiconductores, cuando los semiconductores se bombardean con haces de iones para producir diminutos estructuras
El resultado de un impacto de iones en un material puede examinarse fácilmente después. Sin embargo, es difícil comprender la secuencia cronológica de tales procesos. Un grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Viena ha logrado ahora analizar en una escala de tiempo de femtosegundos lo que sucede con las partículas individuales involucradas cuando un ion penetra en materiales como el grafeno o el disulfuro de molibdeno. Un análisis cuidadoso de los electrones emitidos fue crucial: pueden usarse para reconstruir el curso cronológico de los procesos: la medición se convierte, por así decirlo, en «cámara lenta de electrones».
Los resultados ya han sido publicados en Cartas de verificación física («Dinámica de carga superficial inducida por iones en monocapas independientes de grafeno y MoS2 Investigado por la emisión de electrones»).
![Al penetrar una capa delgada de material, los iones altamente cargados liberan muchos electrones, que están influenciados por la distribución de los electrones restantes en el material.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61328_1.jpg)
Veinte a cuarenta partículas cargadas
El grupo de investigación del Prof. Richard Wilhelm en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad Tecnológica de Viena trabaja con iones altamente cargados. Los átomos de xenón, que tienen 54 electrones en el estado neutro, se despojan de 20 a 40 electrones y los iones de xenón restantes altamente cargados positivamente se dirigen luego a una capa delgada de material.
«Estamos particularmente interesados en la interacción de estos iones con el material grafeno, que consta de una sola capa de átomos de carbono», dice Anna Niggas, primera autora del trabajo actual. “Porque ya sabíamos por experimentos anteriores que el grafeno tiene propiedades muy interesantes. El transporte de electrones en el grafeno es extremadamente rápido”.
Las partículas reaccionan tan rápido que los procesos no pueden observarse directamente. Pero hay trucos especiales: «En tales procesos, generalmente se libera una gran cantidad de electrones», explica Anna Niggas. «Pudimos medir el número y la energía de estos electrones con mucha precisión, comparar los resultados con los cálculos teóricos aportados por nuestros coautores de la Universidad de Kiel y así dilucidar lo que está sucediendo en una escala de femtosegundos».
Viaje de femtosegundos a través de gráficos
Primero, el ion altamente cargado se acerca a la delgada capa de material. Debido a su carga positiva, genera un campo eléctrico y, por lo tanto, influye en los electrones del material; incluso antes del impacto, los electrones del material se mueven en la dirección del punto de impacto. Eventualmente, el campo eléctrico se vuelve tan fuerte que los electrones son arrancados del material y capturados por el ion altamente cargado. Inmediatamente después, el ion golpea la superficie y penetra en el material. Esto da como resultado una interacción compleja; el ion transfiere mucha energía al material en poco tiempo y se emiten electrones.
Si no hay electrones en el material, queda una carga positiva. Sin embargo, esto se compensa rápidamente con los electrones que fluyen desde otras áreas del material. En gráficos, este proceso es extremadamente rápido; Fuertes corrientes a escala atómica se forman brevemente dentro del material.
Este proceso es algo más lento con disulfuro de molibdeno. En ambos casos, sin embargo, la distribución de los electrones en el material influye a su vez en los electrones ya liberados del material y, por lo tanto, estos electrones emitidos, cuando se detectan cuidadosamente, brindan información sobre la estructura temporal del impacto. Solo los electrones rápidos pueden salir del material, los electrones más lentos dan la vuelta, son atrapados nuevamente y no terminan en el detector de electrones.
El ion solo tarda alrededor de un femtosegundo en penetrar una capa de grafeno. Anteriormente, los procesos en escalas de tiempo tan cortas podían medirse con pulsos láser ultracortos; en este caso, sin embargo, depositarían una gran cantidad de energía en el material y cambiarían completamente el proceso.
«Con nuestro método, hemos encontrado un enfoque que permite nuevos conocimientos fundamentales», dice Richard Wilhelm, jefe de un proyecto FWF START en la Universidad Tecnológica de Viena. «Los resultados nos ayudan a comprender cómo reacciona la materia a una irradiación muy breve y muy intensa, no solo a los iones, sino también a los electrones o la luz».
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